Чтобы по-настоящему понять, как работает организм, и улучшить здоровье человека, исследователям необходимо разобрать строительные блоки наших клеток. Но по мере того, как ученые продолжают совершать крупные прорывы в клеточной биологии, остается важный вопрос: как клетки первоначально формировались миллиарды лет назад?
Новое исследование, проведенное Раманарайаном Кришнамурти, доктором философии из Scripps Research, и Шерефом Манси, доктором философии из Университета Тренто, предлагает объяснение того, как «протоклетки» могли появиться на ранней Земле, что в конечном итоге привело к клетки, которые мы знаем сегодня. Их работа, опубликованная в журнале SMALL, предполагает, что молекулы, называемые циклофосфолипидами, могли быть ингредиентом, необходимым протоклеткам для формирования важных внутренних структур, называемых везикулами, которые, вероятно, положили начало эволюционному процессу.
«Протоклетки были бы сегодня предками клеток, если хотите», - говорит Кришнамурти, адъюнкт-профессор химии Scripps Research. «У них не было полной функциональности современных клеток, но у них было поведение предшественников, чтобы заложить основу для того, что появилось позже».
Кришнамурти является членом коллаборации Саймонса по происхождению жизни и проводит совместную встречу с Центром химической эволюции, совместно финансируемым программой НАСА по астробиологии и Национальным научным фондом. Как и многие в его области, Кришнамурти любопытно, как работали бы ранние везикулы.
Сегодня клетки изобилуют различными молекулами и химическими реакциями, но протоклетки были бы намного проще, как везикулы. Одной из особенностей этих везикул были внутренние полые области, называемые люменами, - пространства, которые могли захватывать все более и более крупные молекулы, необходимые для таких задач, как формирование РНК и создание белков - строительных блоков, необходимых для жизни.
В конце концов, благодаря пузырькам, протоклетки могли разделиться на более продвинутые поколения протоклеток, которые получали питательные вещества из окружающей среды, чтобы расти и снова делиться.
Новое исследование предлагает простое решение загадки того, как могли развиться стабильные везикулы. В прошлом исследователи пытались использовать молекулы, называемые жирными кислотами, для создания везикул, но эти везикулы реагировали на ионы металлов и распадались.
«Везикулы жирных кислот просто не выживают во многих условиях, встречающихся на Земле, и, конечно, не в тех условиях, которые необходимы для того, чтобы активировать молекулы, подобные биологическим», - говорит Мэнси. «Этот разрыв между правдоподобием и стабильностью мешает нам представить, как могли появиться протоклетки."
Исследователи никогда раньше не пытались использовать циклофосфолипиды для образования везикул, но в 2018 году лаборатория Кришнамурти опубликовала исследование Nature Chemistry, показывающее, что условия на ранней Земле могли привести к образованию циклофосфолипидов.
После демонстрации того, что циклофосфолипиды могли существовать в первые дни жизни, исследователи решили выяснить, могут ли эти молекулы помочь протоклеткам строить везикулы. «Мы не знали, будут ли они достаточно стабильны, чтобы быть полезными или функциональными», - говорит Кришнамурти.
Оказалось, что новые везикулы оказались на удивление стабильными. Они выдерживали более широкий диапазон физических и химических условий, чем везикулы жирных кислот, включая изменения рН. На самом деле, новые данные свидетельствуют о том, что циклофосфолипиды могут быть идеальной основой для везикул, которые позволили эволюционировать протоклеткам.
«Работа профессора Кришнамурти с фосфорилированием пребиотиков привела нас к исследованию нового типа липидов, который показывает большие перспективы, помогая нам, по крайней мере, понять, какие виды химических свойств необходимы для создания пребиотически приемлемой и надежной протоклетки», - говорит Мэнси.
В настоящее время исследователи готовятся провести еще более напряженные тесты циклофосфолипидных везикул, чтобы получить ответы на более глубокие вопросы. Они хотели бы знать, совместимы ли эти везикулы с другими важными процессами, необходимыми для эволюции, такими как неферментативная репликация РНК.
В исследовании также участвовал первый автор Ö. Духан Топарлак из Университета Тренто; и Мега Карки и Вероника Эгас Ортуно из Scripps Research.